Osciloskopy, základní vlastnosti a jejich použití v laboratorních

Osciloskopy, základní vlastnosti a jejich použití v laboratorních
měřeních SPŠD Masná 18, Praha 1
Ing. L. Harwot, CSc.
Úvod
Osciloskop zobrazuje na stínítku obrazovky (CRT) nebo LC displeji v časové
(amplituda/čas) a většinou i v kmitočtové (amplituda/kmitočet) oblasti průběhy připojených
elektrických signálů. Speciální konfigurace připojení signálů (X, Y) zobrazuje také závislost
jednoho napětí na napětí druhém, např. měření kmitočtu. Na obr.1 je uveden příklad
reálného zobrazení obdélníkového průběhu v časovém a kmitočtovém (FFT analýza)
měřítku. Pomocí kurzorů je možné odečítat amplitudové a kmitočtové složky průběhů.
Záznam byl pořízen v laboratoři SPŠD Masná, Praha 1.
Obr. 1 Reálné zobrazení připojeného průběhu v časové a kmitočtové oblasti
Bez zviditelnění elektrických signálů by nebylo možné vyvíjet elektronické obvody,
sledovat jejich chování a v neposlední řadě řešit a odstraňovat případné závady. Od
základních osciloskopů analogových se v dnešní době dostáváme k osciloskopům digitálním
se speciálními funkcemi a v silnoproudé praxi k osciloskopům s vnitřní pamětí analyzujícím
průběhy v síti - analyzátorům sítě.
Od roku 1947, kdy byl firmou Tektronix (USA) představen první analogový osciloskop
(10MHz, 1 kanál) prošel vývoj osciloskopů dlouhou cestou vedoucí ke stále dokonalejším
přístrojům.
U prvního osciloskopu Tektronix byly aplikovány novinky používané při výrobě
osciloskopů i v dnešní době jako např. přesný měřicí vertikální zesilovač, stabilizované
napájecí napětí, kalibrovaná spouštěná časová základna, odpovídající impulsní odezva
vstupních obvodů apod.
Současné nejmodernější digitální osciloskopy mohou sledovat signály v 3D oblasti
(Mega Zoom, DPO, SPO technologie) v časech od několika pikosekund s amplitudou pouze
několik mV. Standardem dnešních osciloskopů je také speciální příslušenství (napěťové a
proudové sondy, komunikační rozhraní (USB, USB TMC, GPIB, LAN), zásuvné matematické
moduly, softwarové prostředky apod.).
1 Rozdělení osciloskopů
Rozdělení osciloskopů lze provést podle více hledisek. Mezi stěžejní můžeme
zahrnout rozdělení podle zpracování a zobrazení připojených signálů, podle galvanické
vazby mezi kanály a v neposlední řadě podle druhu napájení.
Zpracování a zobrazení připojených signálů člení osciloskopy do dvou základních
částí a to na osciloskopy analogové (ART - Analog Real Time) a osciloskopy digitální (DSO
- Digital Storage Oscilloscope) Digitální přístroje vzorkují signál a matematicky zpracovávají
naměřené hodnoty, které jsou následně zobrazeny na LC displeji přístroje nebo u USB
osciloskopů na monitoru počítače.
Podle funkcí vnitřních elektronických obvodů, lze rozdělit osciloskopy na základní a
osciloskopy s rozšířenými funkcemi. Rozšířené funkce u analogových osciloskopů byly
především kurzory, u analogově-digitálních osciloskopů byla mezi rozšířené vlastnosti
zahrnuta digitální paměť a komunikační rozhraní.
Současné digitální osciloskopy základní disponují mnoha speciálními funkcemi, které
jsou dány především stále se snižujícími cenami součástek. Mezi speciální funkce digitálních
osciloskopů ze zahrnout rozšířené spouštění časové základny, matematické funkce včetně
FFT analýzy, analýzu sběrnic (IIC, SPI, UART/RS232, CAN, LIN) a především způsob
zobrazení připojeného signálu. Nejmodernější digitální osciloskopy zobrazují průběh signálu
v 3D databázi, ve které představuje třetí osa „Z“ informaci o náhlých změnách v signálu
(obdoba modulace osy „Z“ u analogového osciloskopu). Technologii zpracování 3D databáze
používají osciloskopy Tektronix, Agilent, Siglent, LeCroy, Fluke apod.
Galvanická vazba mezi kanály rozděluje digitální osciloskopy na osciloskopy s
propojenými kanály a osciloskopy s galvanicky oddělenými kanály.
Dle napájení a tím možnosti použití mimo laboratoř lze rozdělit osciloskopy na
osciloskopy napájené ze sítě a osciloskopy napájené z akumulátorů.
2 Základní parametry osciloskopů
Základní parametry osciloskopů mají podstatný vliv na kvalitu zobrazeného průběhu.
Při nevhodné volbě parametrů osciloskopu jak analogového, tak přístroje s digitální pamětí je
připojený signál zobrazen nesprávně což může vést ke špatným závěrům při analýze
elektronických obvodů.
Šířka kmitočtového pásma
Šířka kmitočtového pásma označuje kmitočtové pásmo osciloskopu, ve kterém může
být zobrazen harmonický průběh. Horní limitní kmitočet je určen poklesem amplitudy o 3dB
ve vztahu k amplitudě měřeného signálu. Současné osciloskopy zobrazují také stejnosměrné
složky. Např. v literatuře se můžeme setkat s vyjádřením, že osciloskop pracuje
v kmitočtovém pásmu DC až 100 MHz.
Osciloskop je zpravidla určen především ke sledování nesinusových průběhů a
hlavně k zobrazení průběhů impulsních. Zpracování a zobrazení průběhů na stínítku
obrazovky osciloskopu musí odpovídat tedy především metodám impulsního zpracování
signálů. Je obecně známo, že spektrum impulsu obsahuje mnoho kmitočtů a tudíž jeho
správné zobrazení nezávisí pouze na amplitudových složkách jednotlivých kmitočtů ale také
na fázových poměrech mezi kmitočty. Proto jsou zesilovače v osciloskopech zpravidla
řešeny jako stejnosměrně vázané širokopásmové impulsní zesilovače.
Důležitou charakteristikou osciloskopu, ve vztahu k pozorování impulsních průběhů,
je náběžná část vertikálního zesilovače.
Z praktického hlediska lze říci, že by měl mít osciloskop 3 až 5 krát vyšší kmitočtové
pásmo než má pozorovaný průběh. Je tedy vhodnější používat k měření osciloskop s vyšším
kmitočtovým pásmem. Při měření v kmitočtové oblasti např. 20 MHz je vhodné mít
k dispozici osciloskop s kmitočtovým rozsahem 100 MHz.
Vstupní rozsahy osciloskopu – citlivost
Signál připojený k osciloskopu je před vstupem do vertikálního zesilovače přiveden ke
vstupnímu děliči, který umožňuje nastavit zesílení zesilovače tak, aby byl průběh na stínítku
obrazovky zobrazen v optimální poloze. Vstupní dělič představuje velmi náročné místo
v řetězci, kterým prochází signál v osciloskopu. Kvalita, přesnost a stabilita nastavení děliče
je rozhodující pro odpovídající zobrazení průběhu. Většina osciloskopů, napřosciloskop
Tektronix TDS 2024C (obr. 2) umožňuje zobrazit průběh v rozsahu od 2 mV/dílek do 5
V/dílek. Vybrané typy analogových osciloskopů mají v základní poloze možnost změnit
citlivost až na 1mV/dílek. U osciloskopů přenosných může být citlivost zvýšena až na 100
V/dílek. Pokud je rozsah děliče 2 mV/dílek až 10 V/dílek, což odpovídá poměru 1:5000 je
tento dělicí poměr v celém kmitočtovém pásmu osciloskopu těžko realizovatelný. Pokud se u
zesilovače změní zesílení, dojde také ke změně jeho kmitočtového pásma. Obecně je
známo, že každý zesilovač má definovaný součin šířka kmitočtového pásma krát zesílení.
Obr. 2. Digitální osciloskop Tektronix TDS 2024C
Vstupní vazba osciloskopu
Připojený signál může být zobrazen osciloskopem se stejnosměrnou složkou,
v režimu střídavém popř. je možné vstup zesilovače spojit se zemí přístroje (GND). Volba
vstupní vazby se nastavuje u analogového osciloskopu přepínačem umístěným pod
vstupním děličem, osciloskopy digitální umožňují nastavit vstupní vazbu softwarově na LC
displeji přístroje. Střídavá vstupní vazba odděluje od signálu stejnosměrnou složku a
omezuje dolní kmitočtové pásmo zesilovače. Dolní kmitočtové pásmo je při nastavené
střídavé vazbě v rozsahu 5 Hz až 25 Hz. Při volbě stejnosměrné vazby je dolní kmitočtové
pásmo nelimitováno a při zobrazení jsou uvažovány i stejnosměrné složky signálu.
Vstupní impedance osciloskopu
Vstupní impedance osciloskopu je dána paralelní kombinací vstupního odporu a
kapacity. Vstupní odpor bývá u nízkofrekvenčních osciloskopů 1 MOhm, kapacita je dána
v rozsahu 5 až 25 pF. U vysokofrekvenčních měření (např. měření na koaxiálních kabelech
50 Ohm při kmitočtech vyšších než 250 MHz) je vstupní impedance, vlivem kapacity malá a
závislá na kmitočtu. Vstupní impedance je u těchto osciloskopů 50 Ohm, přičemž paralelní
kapacitu lze zanedbat.
Vertikální posuv
Vertikální posuv umožňuje nastavit optimální polohu průběhu ve vertikálním směru na
stínítku obrazovky nebo LC displeje. Posouvání musí být v celém rozsahu lineární, aby
nedošlo ke zkreslení zobrazeného časového nebo frekvenčního průběhu. Osciloskopy
s digitální pamětí umožňují použitím funkce SET ZERO nastavit stopu na stínítku do základní
polohy na ose Y.
Volba kanálu
Současné osciloskopy jsou většinou dvoukanálové s externím spouštěním. Na čelním
panelu dvoukanálového osciloskopu jsou vyvedeny tedy tři BNC konektory. Vybrané typy
osciloskopů mohou mít kanály čtyři. Z hlediska propojení kanálů lze osciloskopy, převážně
s digitální pamětí rozdělit na přístroje s galvanicky spojenými a oddělenými kanály.
Osciloskopy s galvanicky oddělenými kanály mohou být napájeny jak z vestavěným
akumulátorů, tak i ze síťového adaptéru. U těchto přístrojů mohou být aplikována měření na
různých potenciálech (např. trakční měření na měničích).
Časová základna
Časová základna zajišťuje vychylování na stínítku obrazovky, zpravidla ze strany levé
na stranu pravou. Rychlost vychylování musí být velmi přesná, nastavitelná a s konstantní
rychlostí. Rychlost nárůstu pilového napětí je dána nastavením přepínače časové základny
(čas / dílek). Rozsahy základní časové základny osciloskopů jsou dány šířkou kmitočtového
pásma. Zpravidla od 1 ns/dílek do 5 s/dílek. Delší časové základny nejsou u analogových
osciloskopů, v porovnání s osciloskopy digitálními, používány protože přístroje neumožňují
pracovat v režimu pomalého zápisu na obrazovku - režim „ROLL“. Posloupnost přepínání
časové základny je (1 : 2 : 5), podobně jako u změny nastavení citlivosti vertikálního
zesilovače. Časová lupa časové základny umožňuje roztáhnout zobrazený průběh, např.
x10.
Spouštění
Obvody spouštění umožňují spouštět časovou základnu osciloskopu. Kmitočet
interního spouštěcího generátoru časové základny je roven kmitočtu připojeného signálu
nebo jeho celistvému násobku. Jedním z důležitých parametrů osciloskopu, ve vztahu
k časové základně, je úroveň spouštění, která určuje nejmenší amplitudu spouštěcího napětí
zaručujícího stabilní zobrazení připojeného průběhu na displeji. Analogové a digitální
osciloskopy zaručují v celém kmitočtovém pásmu minimální citlivost interního spouštění pod
jeden dílek dělení mřížky rastru obrazovky.
Vzorkování digitálních osciloskopů
Signál připojený ke vstupu digitálního osciloskopu je v analogové části osciloskopu
amplitudově upraven a následně přiveden k obvodům digitální části. V těchto obvodech je
signál vzorkován a v analogově - digitálním převodníku převeden do digitální formy. Za
převodníkem je již signál zpracován digitálně. Vstupní obvody analogové části jsou shodné
s obvody analogového osciloskopu a měly by bez zkreslení přenést k digitálním obvodům
celé kmitočtové pásmo signálu. Obvody vzorkovače (komparátory) a A/D převodníku určují
stěžejní parametry digitálního osciloskopu. Vzorkování signálu zajišťuje u většiny digitálních
osciloskopů přímý převodník nebo CCD bipolární technologie. Vzorkování signálů může
probíhat v reálném nebo ekvivalentním čase.
U vzorkování v reálném čase jsou vzorky ze signálu odebírány během jednoho průběhu.
Počet vzorků získaných z průběhu určuje věrnost zobrazeného průběhu. Vzorkování
v ekvivalentním čase se používá především u periodických, opakujících se průběhů. Vzorky,
ze kterých je rekonstruován signál jsou získávány postupně během několika period
Rychlost vzorkování (odběr vzorků) by měla být podle Nyquistova kritéria minimálně
dvojnásobná ve vztahu k nejvyšším kmitočtům obsaženým ve spektru signálu. Z praktického
hlediska je minimální počet bodů, ze kterých lze rekonstruovat signál deset (použitím
sinusové interpolace lze počet bodů snížit). U impulsních a speciálních průběhů je i tento
počet bodů určených k rekonstrukci signálu nedostatečný. Během rekonstrukce signálu se
k pospojování bodů používá lineární nebo sinusová interpolace. Vybrané typy digitálních
osciloskopů umožňují také zobrazení průběhu bez použití interpolace.
3 Analogové osciloskopy
Základní analogový osciloskop, na rozdíl od osciloskopu digitálního zobrazuje
připojený signál nepřetržitě, bez vzorkování, matematických výpočtů a aproximací. Z tohoto
důvodu jsou analogové osciloskopy používány i v dnešní době, kdy by se mohlo zdát, že
jsou překonány osciloskopy digitálními. Např. ve vztahu k přesnosti, lze říci, že digitální
osciloskop nemůže být přesnější než osciloskop analogový, protože před analogově
digitálním převodníkem digitálního osciloskopu jsou stejné obvody jako u osciloskopu
analogového a digitální osciloskopy mají většinou rozlišení pouze 8 bit.
Obr. 3 Analogový osciloskop OS 5100 (100MHz, 2 kanály, kurzory)
4 Digitální osciloskopy
Mezi současné digitální osciloskopy předních světových výrobců lze zahrnout
přístroje Tektronix, Siglent, Agilent, Fluke apod. Jeden z největších výrobců osciloskopů
společnost Siglent Technologies, kterou zastupuje v České republice AMT měřicí technika
(www. amt.cz) se specializuje na dvou a čtyř kanálové přístroje a to jak s galvanicky
spojenými, tak oddělenými kanály. Osciloskopy řady SDS 2000 CFL (obr. 4) pracují
v kmitočtovém pásmu DC až 300MHz. Vzorkování v reálném čase může být až 2GS/s.
Přístroje se vyznačují hloubkou paměti 24k, rozšířeným spouštěním (hrana, šířka impulzu,
šířka hrany impulzu, alternativní), zabudovanými digitálními filtry, možností nahrávání
průběhů, rozhraním USB, USBTMC a LAN apod.
Obr. 4 Digitální osciloskop Siglent SDS 2000
Digitální osciloskopy s galvanicky oddělenými vstupy řady SHS 1000 (obr. 5) sdružují
digitální osciloskop, multimetr a záznamník (ScopeTrendPlot, Multimeter Trend Plot, Scope
Recorder). Přístroje s barevným TFT 5,7“ displejem, se vyrábějí v 60MHz a 100MHz verzi
v dvou kanálovém provedení. Rychlost vzorkování v reálném čase až 1GS/s, hloubka paměti
2M vzorky, automatická měření, včetně matematických funkcí, FFT analýzy, měření fázových
poměrů, volitelné digitální filtry, tři režimy kurzorů, zařazují přístroje, při optimálních
pořizovacích nákladech do nejvyšší třídy současných osciloskopů s galvanicky oddělenými
kanály. Komunikace s prostředím probíhá po rozhraní USB Device, USB Host.
Obr. 5 Digitální osciloskop Siglent SHS 1000
Ruční multifunkční digitální osciloskopy Siglent řady SHS 800 (obr. 2) pracují
v kmitočtovém pásmu DC až 200MHz. Přístroje vycházející z koncepce řady SHS 1000
sdružují jak digitální osciloskop včetně záznamu, tak digitální multimetr. Přístroje se
vyznačují hloubkou paměti 2M vzorky (např. Scope Recorder až s 18 hodinovým
záznamem), rozšířeným spouštěním (hrana, šířka impulzu, šířka hrany impulzu, alternativní),
automatickým měřením 32 parametrů, FFT analýzou, zabudovanými digitálními filtry,
rozhraním USB Device, USB Host apod. Digitální multimetr s měřením True RMS střídavých
hodnot a čítáním 6000 měří napětí, proudy, odpory, kapacity a provádí testování
polovodičových přechodů.
5 Sondy k osciloskopům
Napěťové a proudové sondy světového výrobce Pintech mohou být připojeny jak k
osciloskopům, tak k digitálním multimetrům. Sondy pokrývají široké kmitočtové, napěťové a
proudové pásmo od pasivních, diferenciálních až k sondám vysokonapěťovým. Pasivní
napěťové sondy s přepínáním 10:1 a 1:1 umožňují měřit v kmitočtovém pásmu DC až
500MHz s možností připojen k osciloskopům s funkcí Readout. Vysokonapěťové sondy řady
P60xx jsou charakterizovány jak širokým kmitočtovým, tak napěťovým pásmem. Ve
výrobním programu jsou zařazeny např. VN sondy (obr. 6) měřící napětí do 8kV nebo 40kV
s dělicím rozsahem 1000:1 a kmitočtovým pásmem DC až 220MHz. Diferenciální napěťové
sondy řady PT 51xx (obr 3) se vyznačují, kromě širokého pásma měření napětí, vysokou
přesností (až 1%), co je u sond tohoto provedení neobvyklé.
Obr. 6 VN sonda P6039A
6 Cíl měření
Cíl měření a další body úlohy jsou uvedeny v laboratorních úlohách…